Development and research of the efficiency of a tractor transmission with a disc type gearbox

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для достижения высокой производительности тракторного агрегата, лучшего использования мощности и повышения экономичности двигателя, коробки передач современных тракторов должны иметь большое количество передач переднего хода, разделенных на три диапазона: замедленных, рабочих и транспортных [1]. При включении замедленных передач скорость тракторного агрегата составляет до 5 км/ч. При таких скоростях движения сажают рассаду овощных культур, убирают плоды и ягоды, а также выполняют мелиоративные работы. Как правило, замедленные передачи на универсально-пропашных тракторах предусматривают установку в основной коробке передач ходоуменьшителя.

При включении рабочих передач скорость тракторного агрегата составляет 5–15 км/ч. На таких скоростях выполняют операции основной и предпосевной обработки почвы, посева, ухода за растениями, уборке урожая и т.д.

Передачи, при которых скорость агрегатов превышает 15 км/ч, относятся к транспортным.

Увеличение количества передач в трансмиссии достигается установкой последовательно включенных двух и более редукторов. Современные коробки передач сельскохозяйственных тракторов имеют до 6 валов и от 16 и более шестерен, что приводит не только к увеличению габаритов, но и массы коробки передач, а, следовательно, веса всего трактора [1-3].

Анализ механических коробок передач с разрывом потока мощности при переключении передач показал, что они обеспечивают от 16 передач вперед и до 8 назад. Основным недостатком известных конструкций является большое количество шестерен, а, следовательно, и большие габариты. Это приводит к дополнительному расходу высококачественного металла, а также затратам энергии на самопередвижение трактора, что снижает его эксплуатационные возможности [3, 4].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Увеличение числа передач и снижение массы коробок передач тракторов сельскохозяйственного назначения.

Задачи работы:

1. Разработать конструкцию коробки передач дискового типа с торцевым зацеплением зубьев для тракторов сельскохозяйственного назначения.
2. Определить КПД трансмиссии трактора ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач дискового типа в зависимости от нагрузки, передаточного числа и температуры масла.
3. Провести эксплуатационные испытания трактора ЛТЗ-55 в условиях рядовой эксплуатации для проверки работоспособности опытной коробки передач дискового типа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальные исследования проведены согласно рекомендациям тракторного института НАТИ [5, 6] и ГОСТ 30745-2001 [7]. Трактор ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач был установлен на стенд с беговыми барабанами, а нагрузочный режим осуществлялся посредством жидкостного реостата электротормозного стенда СТЭУ-40 [8].

На первичный вал коробки передач был наклеен тензодатчик, соединенный с кольцевым токосъемником, закрепленным на корпусе трансмиссии. Моменты на полуосях замеряли при помощи тензоступиц. Регистрация замеряемых моментов производилась при помощи осциллографа К-12-24 и усилителя ПИН-703.

Зависимость КПД трансмиссий от нагрузки, т.е. от подводимого момента к ведущим колесам, определяли на различных передачах. При этом нагрузка изменялась от холостого хода до нагрузки, соответствующей номинальной мощности двигателя. При исследовании были созданы условия работы трансмиссии, близкие к условиям, наиболее часто встречающимся в эксплуатации.

При испытаниях применяли масло ТАП-15В, на котором трансмиссии тракторов работают весь сельскохозяйственный сезон.

Температурный режим опытной трансмиссии от 16 до 60 °С создавали без применения подогревающих устройств, что обеспечивало естественные температурные условия его работы. Программой испытаний предусматривалось определение влияния нагрузки, температуры масла и различных передач (I, V и X) на КПД трансмиссии.

Кроме того, были предусмотрены долгосрочные эксплуатационные испытания трактора ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач.

Для определения КПД трансмиссии ${\eta }_{\text{тр}}$ по формуле

${\eta }_{\text{тр}}=\frac{{М}_{\text{кл}}+{М}_{\text{кп}}}{{М}_{\text{с}}\cdot i_{\text{тр}}},$ (1)

необходимо измерить крутящий момент на первичном валу и полуосях ведущих колес трактора [4, 5, 9]. В (1) приняты обозначения: М_с, М_кл, М_кп – соответственно, моменты на первичном валу левой и правой полуосях ведущих колес; i_тр – передаточное число трансмиссии.

Коробка передач дискового типа была изготовлена на Липецком тракторном заводе с целью снижения удельной металлоемкости, габаритов и увеличения количества передач [10]. Испытания проведены на кафедре тракторов и автомобилей Воронежского ГАУ. Кинематическая схема опытной коробки передач приведена на рис. 1.

Рис. 1. Кинематическая схема опытной коробки передач: 1 – первичный вал; 2, 6, 15 – подвижные шестерни; 3, 4 – шестерни постоянного зацепления; 5 – промежуточный вал; 7 – диск-шестерня; 8, 9, 10 – верхние зубчатые венцы; 11, 12, 13 – нижние зубчатые венцы; 14 – вторичный вал; 16 – шестерня главной передачи; 17 – реверс.

Особенностью опытной коробки передач является наличие в ее корпусе, помимо обычных шестерен и валов, установленного диска-шестерни 7, с тремя зубчатыми венцами 8, 9, 10 сверху и тремя 11, 12, 13 снизу. Постановка такого диска-шестерни с зубчатыми венцами позволяет уменьшить число шестерен более чем наполовину, по сравнению с коробкой передач трактора ЛТЗ-55. Это приводит к снижению металлоемкости расхода высококачественной стали, уменьшению габаритных размеров, а также упрощению конструкции коробки передач. Опытная коробка передач является механической с разрывом потока мощности при переключении передач и обеспечивает 18 передач вперед и 18 назад, а за счет реверса 17.

Она состоит из первичного вала 1, диска шестерни 7, промежуточного вала 5, вторичного вала 14, подвижных шестерен 2, 6 и 15, а также шестерни постоянного зацепления 3 и 4.

Опытная коробка передач, установленная на трактор ЛТЗ-55, позволила изменять скорость движения от 2,67 до 30,75 км/ч.

Работа коробки передач осуществляется следующим образом. Перемещая подвижную шестерню 2 по верхним зубчатым венцам 10,9 и 8, а нижнюю подвижную шестерню 15 соединяем с нижними зубчатыми венцами 13, 12 и 11, получаем девять передач. Выключая подвижную шестерню 2 из зацепления и включая подвижную шестерню 6 с нижними зубчатыми венцами 13, 12 и 11 и перемещая подвижную шестерню 15 по этим же венцам 13, 12 и 11. При этом вращение передается на вторичный вал 14 и далее на шестерню главной передачи 16, в итоге, получаем еще 9 передач.

Для выявления работоспособности и КПД трансмиссии с опытной коробкой передач, она была установлена на трактор ЛТЗ-55. Трактор ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач был установлен на стенд с беговыми барабанами [8]. Вначале опытная коробка прошла испытания на холостом ходу – 125 часов при различных передачах, 150 часов при различных нагрузках.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследования КПД трансмиссии трактора ЛТЗ-55 проводили при различных крутящих моментах на ведущих колесах и различной температуре масла на I, V и X передачах, см. рис. 2 и 3.

Рис. 2. Зависимость КПД трансмиссии от величины нагрузки на ведущих колесах трактора ЛТЗ-55.

Рис. 3. Зависимость КПД трансмиссии от температуры масла при максимальном моменте двигателя.

Из приведенного графика (рис. 2) видно, что с увеличением загрузки ведущих колес испытуемого трактора, КПД трансмиссии увеличивается и находится в пределах от 0,78 до 0,96 при температуре масла в трансмиссии от 16 до 60 °С. Значения КПД опытной коробки передач близки к численным значениям серийных механических трансмиссий с разрывом потока мощности [5, 9].

Самые высокие значения КПД на всем диапазоне изменения нагрузки трансмиссии соответствуют низшей передаче. Результаты исследований, проведенные В.Э. Малаховским [5], показывают, также, что повышенные значения КПД находятся на низших передачах. В зависимости от передачи значительное влияние на КПД оказывает число оборотов валов трансмиссий.

Как известно, с изменением температуры изменяется вязкость масла, что и является основной причиной изменения потерь в зубчатых передачах [5].

Для проведения исследований масло разогревали путем вращения трансмиссии под нагрузкой. При максимальной нагрузке и скорости вращения первичного вала, по мере увеличения температуры масла, периодически определяли КПД. В результате исследований получали зависимость КПД от температуры масла, рис. 3.

Результаты исследования показали, что при температуре масла от 16 до 60 °С в трансмиссии, КПД изменяется в следующих пределах (рис. 3):

• на первой передаче – от 0,84 до 0,96;
• на пятой передаче – от 0,82 до 0,93;
• на десятой передаче – от 0,78 до 0,89.

Анализ результатов изменения КПД трансмиссии, в зависимости от температуры, на различных передачах показал, что на изменение КПД большее влияние оказывает температура масла, а, следовательно, и вязкость масла. Результаты испытаний, проведенные В.Э. Малаховским, показали, также, что наиболее высокие КПД находятся при температуре масла 60–75 °С. При температуре выше 75°С КПД трансмиссии мало изменяется, что объясняется характером зависимости вязкости масла от температуры. Поэтому если в эксплуатации передача работает длительное время с холодным маслом, то ее среднеэксплуатационный КПД значительно снижается. Это наблюдается в начале эксплуатации тракторов и автомобилей, особенно в зимнее время года.

Для проверки надежности работы опытной коробки передач в условиях рядовой эксплуатации, трактор ЛТЗ-55 с опытной трансмиссией был отправлен на испытания в ООО «Золотая Нива» Верхнехавского района Воронежской области. За период испытаний трактор ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач наработал 2714 моточасов. Трактор большую часть времени (до 85%) был занят на транспортных работах, остальное время работал на культивации и косьбе зеленой массы. Замечаний со стороны оператора тракторного агрегата на работу опытной коробки передач не было.

Для автомобилей данную коробку передач можно упростить (рис. 4). Получим 6 передач вперед и 6 назад за счет использования реверса.

Рис. 4. Кинематическая схема автомобильной коробки передач: 1 – первичный вал; 2, 3 – подвижная шестерня; 4 – диск-шестерня; 5, 6, 7 – верхние зубчатые венцы; 8, 9 – нижние зубчатые венцы; 10 – вторичный вал; 11 – шестерня главной передачи; 12 – реверс.

Следующим этапом работы по разработанной опытной конструкции коробки передач – это автоматическое включение передач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана коробка передач дискового типа и на нее получен патент на полезную модель РФ № 208805.
2. Лабораторные исследования трактора ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач дискового типа показали: КПД трансмиссии с увеличением момента на ведущих колесах и температуры масла в трансмиссии увеличивается, а с увеличением номера включенной передачи уменьшается; КПД опытной трансмиссии находится в пределах от 0,75 до 0,96, что соответствует серийным механическим трансмиссиям тракторов с разрывом потока мощности.
3. С повышением температуры масла до 60 °С КПД трансмиссии увеличивается. При дальнейшем повышении температуры происходит стабилизация КПД, при этом возможно незначительное повышение температуры масла до 75 °С.
4. Эксплуатационные испытания трактора ЛТЗ-55 с опытной коробкой передач показали ее работоспособность, отказов при ее работе в течение 2714 моточасов не наблюдалось.
5. Дальнейшие разработки будут направлены на автоматическое переключение передач в опытной коробке.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование было осуществлено за счет собственных средств.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. The study was conducted at the author’s own expense.

About the authors

Oleg I. Polivaev

Author for correspondence.
Email: Polivaevoi@icloud.com
ORCID iD: 0000-0002-3610-6339
SPIN-code: 1423-0193

Professor, Dr. Sci. (Tech.)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The experimental gearbox kinematic configuration: 1 – an input shaft; 2, 6, 15 – movable gears; 3, 4 – constant mesh gears; 5 – an intermediate shaft; 7 – a disk-gear; 8, 9, 10 – upper gear rims; 11, 12, 13 – lower gear rims; 14 – an output shaft; 16 – an axle drive gear; 17 – reverse.

Download (91KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Transmission efficiency, dependent on drive wheels torque of the LTZ-55 tractor.

Download (58KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Transmission efficiency, dependent on oil temperature under the maximal engine torque.

Download (43KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. The vehicle gearbox kinematic configuration: 1 – an input shaft; 2, 3 – movable gears; 4 – a disk-gear; 5, 6, 7 – upper gear rims; 8, 9 – lower gear rims; 10 – an output shaft; 11 – an axle drive gear; 12 – reverse.

Download (60KB)

Indexing metadata